Il microbioma cutaneo nella

psoriasi e nella dermatite atopica

Stefania Farina

DERMOBIOTICA

MICROBIOTA E PELLE

Modena, 29 novembre 2018

Terme di Comano

In ambiente termale punto di riferimento nella

cura della pelle e in particolare delle malattie

infiammatorie croniche della pelle come

psoriasi e dermatite atopica

Dimostrazione scientifica di efficacia

▪ CURE TERMALI PRATICATE FIN DALL’ANTICHITÀ E ANCORA OGGI

POCO CONOSCIUTE DA PARTE DEI MEDICI

▪ Riserve riguardo la dimostrazione scientifica

▪ L’acqua termale agisce attraverso diversi meccanismi:

meccanico-plastico, termico, chimico e immunologico

▪ JAMA 100 Years Ago | May 17, 1913| May 15, 2013

JAMA 2013;309(19):1975.

Terme di Comano e Ricerca

PROVATI RISULTATI TERAPEUTICI

PUBBLICATI SU RIVISTE INTERNAZIONALI

ATTENZIONE ALLA RICERCA SCIENTIFICA

E CAPACITÀ DI GESTIRE STUDI RIGOROSI

Studi clinici sulla terapia della psoriasi

alle Terme di Comano

▪ Zumiani G, Tasin L, Urbani F, Tinozzi CC, Carabelli A, Cristofolini M.

Clinico-statistical study on hydropinic and balneothermal therapy of

psoriatic patients using the low mineral-content waters of the Comano

springs. Minerva Med 1986;77:627-34.

▪ Zumiani G, Zanoni M, Lo Brutto R, Cristofolini P, Tasin L. Bath-photo-

therapy with the thermal water of Comano: treatment of psoriasis. Acta

Derm Venereol 1989;146:122-4.

▪ Agostini G, Agostini S, Bauer P, Cristofolini P, Zanoni M. Modificazioni

funzionali in corso di balneoterapia alle Terme di Comano. Clin Term

1992; 45: 155-68.

▪ Zumiani G, Zanoni M, Agostini G. Valutazione dell’efficacia dell’acqua

della fonte termale di Comano versus acqua di acquedotto nella cura

della psoriasi. G Ital Dermatol Venereol 2000;135:259–63.

Studi in vitro

▪ per la prima volta in ambito nazionale è stata realizzata

una ricerca sull’espressione in vitro di citochine da parte di

cellule cutanee di pazienti psoriasici in coltura a cui veniva

aggiunta acqua di Comano versus acqua ultra pura: l’acqua

di Comano inibisce significativamente la produzione di

citochine pro-infiammatorie

▪ studi eseguiti con colture cellulari hanno dimostrato che la

balneoterapia causa inibizione-riduzione di molecole pro-

infiammatorie espresse dalle cellule implicate nelle risposte

immunologiche

Inibizione molecole pro-infiammatorie

▪ Chiarini A, Dal Pra I, Pacchiana R, Menapace L, Zumiani G, Zanoni

M, Armato U. Comano's (Trentino) thermal water interferes with the

expression and secretion of VEGF-A protein isoforms by cultured

human psoriatic keratinocytes: a potential mechanism of its anti-

psoriatic action. Int J Mol Med 2006;18:17-25.

▪ Chiarini A, Dal Pra I, Pacchiana R, Zumiani G, Zanoni M, Armato U.

Comano's (Trentino) thermal water interferes with IL-6 production and

secretion and with cytokeratin-16 expression by cultured human

psoriatic keratinocytes: further potential mechanisms of its anti-

psoriatic action. Int J Mol Med 2006;18:1073-9.

▪ Dal Pra I, Chiarini A, Pacchiana R, Zumiani G, Zanoni M, Armato U.

Comano's (Trentino) thermal water interferes with TNF-alpha

expression and IL-8 production and secretion by cultured human

psoriatic keratinocytes: yet other mechanisms of its anti-psoriatic

action. Int J Mol Med 2007;19:373-9.

Studi su animali da esperimento

INTERNATIONAL JOURNAL OF MOLECULAR MEDICINE 2012;29:732-40

Effects of thermal water on skin regeneration

PREMIO “MASSIMO VANNUCCI” 2013 istituito dalla fondazione per la

ricerca scientifica termale (FORST) consegnato in una cerimonia ufficiale

alla CAMERA DEI DEPUTATI.

STUDIO CASO-CONTROLLO SPERIMENTALE:

VERIFICARE L’ATTIVITA’ RIGENERATRICE DELL’ACQUA TERMALE NELLA

CICATRIZZAZIONE DI FERITE SUPERFICIALI

NUOVE INDICAZIONI TERAPEUTICHE=

riparazione di ferite dopo incidenti, ustioni e trattamenti estetici aggressivi

NOVITÀ: IL MICROBIOTA

PRIMO STUDIO A LIVELLO MONDIALE

SUL RUOLO DEL MICROBIOTA NELLA PSORIASI

…MA COS’È IL

MICROBIOTA?

INTESTINO E PELLE

MICROBIOTA e

DERMATITE ATOPICA

AD microbiome progression hypothesis

Williams MR,Gallo RL Curr Allergy Asthma Rep 2015; 15: 65

Il commensale cutaneo Malassezia globosa-secernente proteasi attenua la formazione del biofilm di S. aureus: è in grado di scindere la proteina A dello S. aureus, prevenendo la formazione di biofilm e la colonizzazione della cute da parte di S. aureus(meccanismo di difesa transazionale tra regni) Li H et al J Invest Dermatol. 2018;138(5):1137-45

Modifiche diversità microbiche:

cute sana vs DA

La pelle sana è caratterizzata da una comunità polimicrobica. Nei pazienti con DA in fase di stato sono presenti comunità microbiche con più batteri «antistafilococco» che producono fattori che inibiscono la crescita dello S. aureo. Nelle fasi di riaccensione della DA lo S. aureo domina nella comunità microbica Odell IA et al Nat Microbiol 2016;1(9): 16135

Paragone tra microbiomi sani e DA

Gli S. aureus isolati sono classificati in tre gruppi (deboli, moderati e alti) in base alla loro capacità di formare biofilm. Confrontando il grado di gravità delle lesioni cutanee con la capacità di produrre biofilm è emerso che il 60% dei pazienti con DA grave sono stati colonizzati da SA alti produttori di biofilm, il 35% da produttori di biofilm moderati e solo il 5% da produttori di biofilm deboli.

Gli SA ad alta produzione di biofilm sono

associate con gravi forme di DA

Di-Domenico EG et al Sci Rep. 2018 Jun 28;8(1):9573.

Byrd AL et al Nat Rev Microbiol. 2018 Mar;16(3):143-55

Lo S. aureus è in grado di attraversare l'epidermide e nel derma incontra le cellule immunitarie e innesca l'espressione di citochine infiammatorie es. IL-4, IL-13. La capacità dello S aureo di innescare la risposta immunitaria cutanea può essere ceppo dipendente

Byrd AL et al Sci. Transl Med 2017:9:eaal4651

Ceppi di S. aureus isolati dalla cute infiammata di bambini e adulti con DA hanno evidenziato che i CC30 isolati sono sottorappresentati mentre iceppi CC1 sono sovrarappresentati rispetto ai soggetti sani

Esp=serinproteasiglutamil endopeptidasi: prodotta dallo SE inibisce il biofilm dello SA

Interazioni dei commensali con S. aureo

1. S. coagulase neg Lugdunensis2. S. epidermidis3. S. hominis > Lantibiotici = LL-37 peptide

antimicrobico umano

In contrasto: P. acnes produce coproporfirina III

che promuove l'aggregazione di S. aureus e la

formazione di biofilm.

➢ I ceppi di CoNS con attività antimicrobica sono comuni nella popolazionenormale ma rari nei soggetti con DA

➢ L’attività antimicrobica è collegata a peptidi antimicrobici (AMPs) prodottidalle specie CoNS (es. S.epidermidis e S. hominis)

➢ Questi AMPs sono ceppo specifici, altamente potenti, uccidono lo SA e sinergizzano con l’AMP umano LL-37

➢ La reintroiduzione di questi ceppi CoNS antimicrobici in soggetti umanicon DA riduce la colonizzazione da SA e testimonia come la disbiosi del microbiota cutaneo può condurre a malattia

Nakatsuji T et al Sci Transl Med 2017;22:9(378)

Sostanze antimicrobiche dei commensali

proteggono contro S. aureo

➢ Il commensale S. caprae compete con SA inibendo il quorum sensing

➢ L'autoinduttore S. caprae (AIP) inibisce il quorum sensing per lo SA: S. capraeriduce il carico di SA resistente alla meticillina sia nella colonizzazione cutanea che nelle infezioni, evidenziando i benefici di una flora cutanea sana e suggerendo una nuova strada per la terapia probiotica

Paharik AE et al Cell Host & Microbe 2017; 22: 1–11

Un ceppo di Stafilocco coagulasi negativo

previene la colonizzazione di S. aureus

bloccando il QUORUM SENSING

= linguaggio di comunicazione tra microbi (“sensibilità e controllo di livello”):

i batteri producono molecole segnale (autoinduttori) che innescano reazioni

cellula-cellula che permettono ai batteri di interagire

Nello strato corneo della cute dei pazienti con DA:

✓ Livelli inferiori di sfingomielinasi della famiglia delle cerebrosidasi , un enzima necessario per la conversione degli sfingolipidi in ceramidi funzionali

✓ Diminuiti livelli di sfingosina che è dotata di un potente effetto antimicrobico contro lo S. aureus e potrebbe svolgere un ruolo importante nei meccanismi cutanei di difesa contro i batteri; più bassi livelli di sfingosina sono correlati con l’elevato numero di batteri, in particolare SA, presenti sulla superficie cutanea dei soggetti atopici

✓ Una riduzione della sintesi di acidi grassi poli-insaturi, in particolare i metaboliti di omega 3 (acido eicosapentaenoico o EPA e l'acido docosaesaenoico o DHA) e omega 6 (γ-linolenico e acido arachidonico)

CUTE SECCA NELLA DA

➢Alcune formulazioni di creme hanno una potenziale attività prebiotica poiché possono fornire cibo per il microbiota cutaneo

FAO Technical Meeting Report on PREBIOTICS: Food Quality and Standards Service (AGNS) Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO);2008 http://www.aattaa.eu/index/en/company/download/1262610500.html

➢ I prebiotici sono ingredienti e sostanze nutritive che stimolano selettivamente la crescita e l'attività dei batteri commensali

➢ I prebiotici che potrebbero essere inclusi nei prodotti per la pelle hanno anche il potenziale per supportare il mantenimento del microbiota cutaneo normale

Emollienti e microbiota cutaneo

Al-Ghazzewi FH et al Benef Microbes 2014, 5(2): 99-107

➢ Gli agenti emollienti es. ceramidi inclusi negli idratanti possono essere buone fonti di carbonio e azoto per i batteri

➢ La niacinamina (vitamina B3) è combinata con emollienti in alcuni prodotti della pelle ed è anche impiegata nei terreni di coltura per alcuni batteri. Può essere utile nel promuovere la salute della pelle poiché è stato dimostrato che inibisce la crescita di S aureus meticillino resistente Kyme P et al J Clin Invest 2012 Sep, 122(9): 3316-332925

➢ Gli idratanti possono anche avere proprietà anti-infiammatorie con impatto potenziale sul microbiota cutaneo Seite S et al Clin Cosmet Investig Dermatol 2015, 8: 479-4839

Emollienti e microbiota cutaneo

➢ Prebiotici (sostanze

non digeribili che

promuovono la

crescita di batteri utili)

➢ Probiotici (batteri

viventi e attivi)

➢ Batteriofagi (virus con

attività antibatterica)

➢ Trapianto

Musthaq S et al Clin Dermatol 2018 in press

Modalità terapeutiche che agiscono

sul microbiota

Tottè JEE et al Case Rep Dermatol 2017;9:19–25

STAPHEFEKT

➢ Una lisina di batteriofago (Staphefekt) è attualmente sottoposta a uno studio fase III come agente topico per il trattamento dell'eczema negli adulti

➢ I vantaggi della lisina rispetto all'acido fusidico sono: 1. è rapidamente battericida2. è specifica per S. aureus3. è improbabile che si verifichi una resistenza durante il trattamento

➢ Staphefekt ha come target sia lo S. aureus meticillino-sensibile che meticillino-resistente, ma non interferisce con i microbi cutanei commensali e si prevede che NON induca resistenza batterica a causa del suo specifico meccanismo di azione

➢ Roseomonas mucosa raccolto da volontari sani agisce positivamente nel controllo della DA nei topi e in modelli cellulari in cultura

➢ Al contrario, la R. mucosa isolata da pazienti con DA peggiora la DA in questi modelli

➢ Testato il trapianto in 10 pazienti adulti e 5 pediatrici (studio in aperto fase I / II di safety ed attività: BACTERiAD I / II).

➢ Applicazione 2 volte a settimana, totale 6 settimane

➢ Trattamento con R. mucosa > associato a diminuzioni significative delle misure di gravità della malattia, fabbisogno di steroidi e colonizazione di S. aureus

Myles IA et al JCI Insight. 2018;3(9):e120608 (F) Ratio of Staphylococcus aureus to coagulase-negative staphylococci from the antecubital (AC) fossa as determined by culture

First-in-human topical microbiome

transplantation with Roseomonas

mucosa for AD

MICROBIOTA E

PSORIASI

Br J Dermatol 2013 Jul;169(1):47-52

Is chronic plaque psoriasis triggered by microbiota in

the skin?

• PSORIASI e MALATTIA DI CROHN > disregolazione dellatolleranza immunitaria verso il microbiota dell’intestino(individui geneticamente predisposti)

• Streptococchi beta-emolitici implicati nella psoriasi guttata

• Sistema immunitario innato si attiva nella psoriasi e molti geniassociati con la malattia sono implicati nelle vie di segnalazione del sistema immunitario innato, in particolare di IL23/Th17 e NFkB

PSORIASI: DISREGOLAZIONE DELLA TOLLERANZA IMMUNITARIANEI CONFRONTI DEL MICROBIOTA DELLA PELLE

16s rRNA

BIO-INFORMATICA

CASE STUDY: the skin microbiome of the elbow as seen

by shotgun metagenomics

CONCLUSIONS AND PERSPECTIVES

- The recent advances in high- throughput methodologies

and the continuous reduction in the cost of sequencing

have opened new frontiers in microbial ecology by

dramatically broadening the discovery potential of skin-

related research studies.

- The metagenomic approach provides unprecedented

means to understand and describe in a comprehensive way

the complex interaction networks underlying the host- skin

microbiome symbiosis and dysbiosis.

- We described here the basic experimental and analysis

procedures to perform skin microbiome studies

summarizing the current state of the art of a subfield of

dermatology that we foresee will be of crucial relevance in

the next few years.

Psoriasis is an immune-mediated inflammatory skin disease that has been associated with

cutaneous microbial dysbiosis by culturedependent investigations and rRNA community profiling.

We applied, for the first time, high-resolution shotgun metagenomics to characterise the

microbiome of psoriatic and unaffected skin from 28 individuals. We demonstrate psoriatic ear sites

have a decreased diversity and psoriasis is associated with an increase in Staphylococcus, but

overall the microbiomes of psoriatic and unaffected sites display few discriminative features at the

species level. Finer strain-level analysis reveals strain heterogeneity colonisation and functional

variability providing the intriguing hypothesis of psoriatic niche-specific strain adaptation or

selection. Furthermore, we accessed the poorly characterised, but abundant, clades with limited

sequence information in public databases, including uncharacterised Malassezia spp. These results

highlight the skins hidden diversity and suggests strain-level variations could be key determinants

of the psoriatic microbiome. This illustrates the need for high-resolution analyses, particularly

when identifying therapeutic targets. This work provides a baseline for microbiome studies in

relation to the pathogenesis of psoriasis.

MICROBIOTA PSORIASI

• BATTERI + PARTICELLE VIRALI E CELLULE FUNGINE

> alcune delle quali appartenenti a specie microbiche

senza genomi sequenziati e non ancora descritte

L’analisi a livello di ceppo

dei batteri più abbondanti

(Staphylococcus epidermidis e

Propionibacterium acnes)

sembra evidenziare

specificità a livello di sottospecie

sia per ogni singolo individuo

che per la nicchia ecologica

indotta dalla psoriasi

Uncharacterized organisms in Psoriasis

3 TIPOLOGIE DI MICROBIOTA CUTANEO

1. S epidermidis

2. P acnes

3. Altro = poca abbondanza di S epidermidis e P acnes

cute sana

cute malata

PSORIASI

3° GRUPPO > servono più campioni!

POTENZIALE STRATEGIA

TERAPEUTICA=

spingere verso primi due

gruppi…

Gold Award dalla LEO Pharma Research

Foundation nel 2015 a Rotterdam all’ESDR

(European Society for Dermatological Research)

Gold Award Winner Lecture

“Metagenomics of the

Skin: Results and

Perspectives on our

Microbial Interface”

Dr. Nicola Segata (Trento)

MICROBIOTA E TERME

PSORIASI

DERMATITE ATOPICA

Terme di Comano

RICERCA IN

CORSO

> STUDIO LONGITUDINALE PRE-POST

TRATTAMENTO

TAMPONI CUTANEI

CAMPIONI FECALI TERME

OSPEDALE

PSO= 18-65 aa, 1 gomito malato, no farmaci da 15 gg

DA= 3-12 aa, 1 piega antecub. malata, no farmaci da 15 gg

Progetto dello studio

Visita PRE-POST TRATTAMENTO

TAMPONI CUTANEI= 4 + 4 (8 per pz)

CAMPIONI FECALI= 1 + 1 (2 per pz)

TERME= 12 bagni (idropinica; fototerapia)

OSPEDALE= 2 settimane di farmaci topici da linee guida

DATI ANAMNESTICI, STILE DI VITA

PASI E SCORAD + BSA

MICROBIOTA E TERME

• Il trattamento termale è in grado di riequilibrare il microbiota cutaneo alterato nelle malattie della pelle?

• E’ questo il meccanismo d’azione alla base delle documentate proprietà immunoregolatrici delle acque termali?

Risultati preliminariP107 TERME

8 CAMPIONI: 4 PRE 4 POST

GOMITO SX > P acnes

GOMITO DX > P acnes e S ep.

Nella parte sana no!

PASI 6 > PASI 2 (12 bagni)

F 34 aa (15), BMI 23, no PsA

1) Confermare il ruolo del microbiota

nelle MALATTIE DELLA PELLE

2) Confermare il ruolo del microbiota

nell’ EFFICACIA DELLE CURE TERMALI

3) Confrontare il ruolo terapeutico

dell’acqua termale rispetto ai farmaci tradizionali

nel MODULARE IL MICROBIOTA CUTANEO

senza turbarne l’equilibrio

Conclusioni

Thanks!

NICOLA

SEGATAMatthias Scholz

Adrian Tett

Tin Truong

Edoardo Pasolli

Pamela Ferretti

Moreno Zolfo

Francesco Asnicar

Federica Armanini

…..

OlivierJousson

Veronica De SanctisRoberto Bertorelli

49

The Laboratory of Computational Metagenomics

Adrian Tett

Mario CristofoliniMattia Giovannini

Giulia Galligioni

Carlo René GirardelliErmanno Baldo

Giampiero Girolomoni